CC BY
108
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
уДК 6213918 в. Л. ХАЗАН
А. Н. КАЛИНИН
Омский государственный технический университет, г. Омск
Омский научно-исследовательский институт приборостроения, г. Омск
ПЕРЕДАЧА ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ ПО КОРОТКОВОЛНОВОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫХ МАТРИЦ
В статье описывается новый модем с частотно-временным кодированием и частотным разнесением сигнала для передачи сообщений по коротковолновому каналу радиосвязи. Предлагаемый модем имеет повышенную помехоустойчивость по сравнению с известными модемами в условиях селективных замираний сигнала, в присутствии аддитивных помех как сосредоточенных по спектру (станционных помех), так и сосредоточенных по времени (импульсных помех). Произведена оценка энергетического выигрыша описываемого модема по отношению к существующим.
Ключевые слова: частотно-временная матрица, помехоустойчивость, многопозиционные сигналы, импульсные помехи, станционные помехи, замирания.
Передача информации по КВ каналу связи осложняется рядом его особенностей: частотно-селективные замирания, большое количество станционных и импульсных помех [1—3]. Одним из способов повышения надежности связи является частотное и временное разнесение передаваемых сигналов.
В [4 — 7] показано увеличение помехоустойчивости демодуляторов частотной телеграфии (ЧТ) в двухлучевом канале с рэлеевскими замираниями, благодаря использованию абсолютно-биимпульсно-го сигнала (АБС).
В АБС используется время-позиционное кодирование. Эти сигналы имеют на интервале одного передаваемого символа две позиции времени и передают значение бита «0» или «1» в зависимости от того, какая из этих позиций по очередности вдоль оси времени является активной, а какая — пассивной (рис. 1).
Описанный в [6, 7] способ индивидуального приема разнесенных по частоте двух манипулирован-ных противофазно АБС сигналов с оценкой качества каждого по отношению «сигнал+помеха»/«помеха»
Рис. 1. Частотно-временные матрицы при передаче методом ЧТ с использованием АБС сигналов символа а) «0», б) «1»
имеет большое преимущество перед обычным методом ЧТ, так как дает возможность принимать сообщения независимо на любой из двух поднесущих частот как в случае замирания сигнала на одной из них, так и в случае поражения одной из них узкополосной аддитивной помехой.
Однако возможны тяжелые условия связи, когда обе поднесущие одновременно замирают, или на обеих поднесущих частотах одновременно присутствуют аддитивные узкополосные помехи, или сигнал на одной поднесущей частоте замирает, а на другой поднесущей частоте присутствует узкополосная аддитивная помеха.
Импульсные помехи, имея широкий спектр, также поражают одновременно как частоту, на которой передается символ «1», так и частоту, на которой передается символ «0». Во всех этих случаях передача сообщения по такому каналу связи становится невозможной.
Таким образом, недостатком АБС является относительно низкая надежность правильного приема сообщения в канале связи в тяжелых условиях при большой вероятности селективных замираний сигналов на поднесущих частотах и большой вероятности поражения подканалов сосредоточенными по спектру и импульсными аддитивными помехами.
В статье описан способ передачи дискретных сообщений по КВ каналу связи в особо тяжелых условиях, когда имеют место селективные замирания сигнала и с большой вероятностью в канале связи присутствуют аддитивные помехи как узкополосные (сосредоточенные по спектру), так и импульсные [8].
В предлагаемом способе по всем частотно-разнесенным подканалам, количество которых больше двух и соответствует числу временных позиций, передается один и тот же символ.
Поэтому для безошибочного приема передаваемого символа достаточно того, чтобы хотя бы один из частотно-разнесенных подканалов во время передачи этого символа не был бы поражен узкополосной или импульсной помехой и передаваемый на его частоте сигнал не находился бы в состоянии замирания.
Алгоритм частотно-временного кодирования символов сообщения описывается выражениями:
+1
(1)
Значение принимаемого символа определяется с помощью алгоритма:
г л то d{N)[m ■ N + п - к] + (т -1)N
(2)
п л modN)[т + к -1] +1
В выражениях (1) и (2) приняты следующие обозначения: и=1...N — номер временной позиции в частотно-временной матрице (ЧВМ); ш=1...М — номер частоты в подканале; г — значение передаваемого символа в десятичной системе счисления; N — общее число временных позиций в ЧВМ; М — общее число частот в подканале; к — номер частотно-разнесенного подканала; — опе-
рация определения остатка от деления на N числа в квадратных скобках; виЦ*] — операция определения целой части числа в квадратных скобках.
Для повышения информационной скорости передачи сообщений каждый подканал может содержать в себе М (рис. 2) достаточно близко расположенных друг к другу частот, расстояние между которыми А/ должно быть кратно величине, обратной длительности радиоимпульса А/=г-^Т (г — положительное целое число г = 1,2,3...), что необходимо для обеспечения ортогональности сигналов, передаваемых на этих частотах. В этом случае один радиоимпульс в любом частотно-разнесенном подканале способен передать символ, содержащий и бит информации (и=1и2(М-Щ).
Частотное разнесение между подканалами, по которым передаются амплитудно-манипулиро-ванные сигналы, должно намного превосходить средний полупериод селективных замираний вдоль оси частот. В этом случае будет обеспечена декор-реляция замираний в частотно-разнесенных подканалах и будет маловероятным одновременное замирание всех передаваемых по каналу связи частотно-разнесенных сигналов. В то же время необходимо, чтобы расстояние вдоль оси частот между частотно-разнесенными подканалами превосходило полосу частот, которую в среднем занимают спектры узкополосных аддитивных помех. В этом случае будет обеспечена декорреляция узкополосных помех в частотно-разнесенных подканалах и будет маловероятным событие, когда одна и та же
т л вт
Рис. 2. Канал связи с восьмью временными и четырьмя частотными позициями в каждом подканале
сосредоточенная по спектру помеха одновременно поражает соседние частотно-разнесенные подканалы связи.
Для повышения надежности приема сообщений предлагается при вынесении решения о значении принятого символа учитывать как «уровень сигнал + помеха», так и «уровень помех» в каждом подканале. Для этого в каждом подканале вычисляется отношение максимального уровня сигнала, полученного вдоль оси времени, к среднему значению уровня помех. Средний уровень помех получается в каждом подканале путем усреднения всех отсчетов за исключением отсчета, который соответствует предполагаемому местоположению принимаемого сигнала и за исключением отсчетов, которые имеют максимальные значения в один и тот же момент времени во всех подканалах и относятся к местоположению воздействия импульсной помехи. Здесь используется тот факт, что импульсные помехи имеют очень широкий спектр. И это присущее им качество позволяет их идентифицировать.
Если во всех разнесенных по частоте подканалах принимаемые решения о значении символа из-за воздействия мешающих факторов разнятся друг от друга, то автоматически выбирается то решение, которое соответствует подканалу, имеющему наивысшую оценку качества.
Использование предлагаемого способа модуляции-демодуляции с частотным разнесением ам-плитудно-манипулированных сигналов с многопозиционным частотно-временным кодированием позволяет получать оценку качества принимаемого сигнала по критерию отношения «сигнал + + помеха»/«среднее значение помехи» в каждом индивидуальном подканале связи и на основании этой оценки выносить общее решение о принимаемом элементе с использованием одного из известных методов [9]:
— оптимальный автовыбор;
— автовыбор по максимальному «уровню сигнал + помеха»;
— оптимальное весовое сложение;
— линейное сложение.
На рис. 2 показан вариант 8-канального модема с восьмью позициями по времени и четырьмя позициями по частоте в каждом подканале. В данном случае одним импульсом, возможно, передавать 5-эле-ментный знак. Пораженные сосредоточенными
по спектру помехами и селективными замираниями подканалы окрашены светлосерым цветом. Пораженные импульсными помехами временные позиции окрашены темносерым цветом. Местоположения импульсов сигнала окрашены черным цветом. В общей сложности селективные замирания, узкополосные и импульсные помехи поразили более 50 % частотно-временного пространства, используемого для передачи сообщения. Однако 1-й символ может быть принят в 5-м и 8-м подканалах, не пораженные импульсными помехами 2-й, 4-й и 6-й символы принимаются 2-м, 4-м, 5-м и 8-м подканалами, 3-й символ принимается 4-м и 8-м подканалом, 5-й символ принимается 2-м, 4-м, 5-м подканалом, а 7-й символ принимается 4-м, 5-м и 8-м подканалами.
Таким образом, несмотря на очень тяжелые условия связи, все передаваемые символы могут быть приняты безошибочно благодаря предложенному способу передачи дискретных сообщений с использованием частотно-разнесенных подканалов и многопозиционного частотно-временного кодирования.
Увеличение числа частотно-разнесенных подканалов дает возможность увеличить коэффициент исправного действия канала связи. Например, пусть вероятность поражения одной поднесущей сигнала селективными замираниями или сосредоточенными по спектру помехами равна Рп. Вероятность потери сообщения при одновременном поражении этими факторами двух поднесущих сигнала равна Рп2. Тогда вероятность работоспособного канала связи, когда отсутствует одновременное поражение аддитивными и мультипликативными помехами обоих подканалов будет равна Рпр=(1—Рп2). Пусть, например, Рп = 0,5. В этом случае вероятность работоспособности канала связи будет равна Рпр = (1 —0,25) =0,75. А в случае, например, в два раза большего числа разнесенных по частоте подканалов, то есть при 4-х частотно-разнесенных подканалах вероятность поражения всех этих подканалов снижается до значения Рп4 = 0,065. Как следствие, вероятность работоспособности канала связи увеличивается до значения Рпр=(1—0,0625)=0,9375. Такого рода увеличения коэффициента исправного действия в коротковолновом канале связи при обычных методах манипуляции возможно достичь увеличением мощности передатчика на 10 — 17 дБ, то есть в 10 — 50 раз [10]. А снижение мощности
Рис. 3. Зависимость вероятности работоспособности канала связи от числа частотно-разнесенных подканалов и вероятности их поражения селективными замираниями и станционными помехами
сигнала в подканалах за счет увеличения их числа в 4 раза уменьшается всего-навсего в 4 раза, т.е. на 6 дБ. В итоге энергетический выигрыш при использовании ЧВМ в коротковолновых каналах связи может быть очень существенным (например, в данном рассматриваемом случае порядка 4 — 11 дБ).
На рис. 3 приведены полученные вышеописанным способом зависимости вероятностей работоспособности канала связи с описанным модемом от числа разнесенных по частоте подканалов и вероятности поражения этих подканалов селективными замираниями и станционными (сосредоточенными по спектру) помехами.
Выводы. Как показывают выше приведенные расчеты, поставленная в статье цель повышения надежности связи при наличии в канале связи селективных замираний, сосредоточенных по спектру помех, а также импульсных помех за счет увеличения числа частотно-разнесенных подканалов полностью достигнута. Даже в очень тяжелых условиях, когда вероятность поражения отдельного подканала Рп достигает, например, значения 0,7, при восьмикратном частотном разнесении подканалов вероятность работоспособности канала связи Рпр в целом превышает значение 0,9. Благодаря предлагаемому способу построения канала связи с частотно-временным разнесением сигналов достигается существенный энергетический выигрыш, а следовательно, и повышение надежности передачи сообщений по каналам радиосвязи в условиях большой вероят-
ности глубоких селективных замираний и большой вероятности поражения канала связи узкополосными и импульсными аддитивными помехами.
Библиографический список
1. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Советское радио, 1970. 727 с.
2. Хмельницкий Е. А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь, 1975. 232 с.
3. Комарович В. Ф. Случайные радиопомехи и надежность КВ связи. М.: Связь, 1977. 135 с.
4. Николаев Г. М., Кухтин Е. М, Супаков Н. А. [и др]. Способ повышения помехоустойчивости радиоканала дискретной информации // Вестник ассоциации «Радио». 1991. № 3 (5). С. 2-12.
5. Николаев Г. М., Салтыков О. В. Демодулятор ЧТ-АБС, реализованный на базе сигнального процессора ЛОЯР-2181 // Техника радиосвязи. 2000. № 5. С. 60-72.
6. Пат. 2454015 Российская Федерация, МПК Н 04 Ь 27/22. Способ демодуляции частотно-манипулированных абсолютно-биимпульсных сигналов, используемых для передачи информации по коротковолновому каналу связи / Хазан В. Л., Калинин А. Н., Романов Ю. В. [и др.]. № 2010142535/08; заявл. 18.10.10; опубл. 20.06.12, Бюл. № 17.
7. Калинин А. Н., Лушпай А. В., Землянов И. С., Хазан В. Л. Помехоустойчивость демодулятора с абсолютно-биимпульс-ными частотно-манипулированными сигналами // Техника радиосвязи. 2015. № 2 (25). С. 32-40.
8. Пат. 2519011 Российская Федерация, МПК Н 04 Ь 27/22. Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов / Хазан В. Л. № 2013107579/08; заявл. 20.02.13; опубл. 10.06.14, Бюл. № 16.
9. Методы обработки сигналов при наличии помех в линиях связи / Под ред. Е. Ф. Камнева. М.: Радио и связь, 1985. 224 с.
10. Хазан В. Л. Исследование надежности связи двух методов передачи информации в экстремальных условиях посредством аналитико-имитационного моделирования // Информационные технологии и радиосети: сб. науч. тр. / Ин-т математики им. С. Л. Соболева СО РАН. Новосибирск, 1998. С. 118-120.
ХАЗАН Виталий Львович, доктор технических наук, профессор кафедры «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: [email protected] КАЛИНИН Андрей Николаевич, научный сотрудник Омского научно-исследовательского института приборостроения, г. Омск. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 28.04.2017 г. © В. Л. Хазан, А. Н. Калинин
